基于CFD的大学生方程式赛车空气动力学套件设计

摘要

本文在满足大学生方程式汽车大赛（FSAE）设计规则的前提下，基于计算流体动力学（CFD），设计了2015和2016年重庆大学方程式赛车的空气动力学套件。采用曲面翼设计理念，优化了赛车的空气动力学套件，对比分析空套各部件对整车流场的影响。
　　通过优化设计大学生方程式赛车的空气动力学套件，可有效提高赛车的性能。本文在2015年赛事规则下，结合翼形分析软件Profili与Xfoil，进行了详细的翼型选型与攻角确定。借用三维设计软件分块设计了重庆大学2015年方程式赛车的前翼、尾翼、扩散器等空套部件。2016年赛事规则减小了空套尺寸，为提高赛车负升力，在2015年赛车的直翼面基础上率先采取曲面翼造型优化空套设计，采用人工修型与局部优化相结合的方法，对比多种造型策略并选取最优的空气动力学套件，完成了重庆大学2016年新赛车的设计。结果表明：
　　①组合翼型的升阻力系数随其空间结构的位置变化而变化，但有最优值。主要变量为相对攻角、上下间隙与前后位置。主翼攻角影响襟翼升阻力系数，襟翼攻角随主翼攻角的增大而增大。
　　②在相同结构与展长下，尾翼的曲面造型影响升阻力系数，双层结构中，主翼弯曲（上凸下凹或后翘），负升力均减小。直主翼情况下，襟翼后翘能增大下压力，升阻比相应提高。曲面前翼可使来流产生旋转，赛车前部阻力明显减小。
　　③赛车扩散器能显著提升负升力，其扩散位置影响整车气动中心。尾翼 DRS系统可提升赛车的加速性能，并优化赛车尾部流场。
　　本文历经两个赛季，设计并优化了重庆大学 FSAE赛车的空气动力学套件，最终采用曲面翼造型，疏理了整车流场，保证了整车较大的下压力。优化后的赛车整车负升力系数提升至1.68，负升阻比提升至1.91。

目录

符号表

1 绪 论

1.1 课题研究背景

1.2 课题研究目的与意义

1.3 国内外研究现状

1.4 本文主要研究内容及创新

2 赛车空气动力学与CFD基本理论

2.1 赛车空气动力学特性

2.2 赛车空气动力学套件基本装置

2.3 计算流体力学基本理论

3 FSAE赛车空气动力学套件设计

3.1 二维翼型设计与优化

3.2 赛车尾翼设计

3.3 赛车前翼设计

3.4 扩散器设计

3.5 整车空气动力学套件分析

3.6 网格有效性验证

4 空气动力学套件优化

4.1 曲面尾翼设计与优化

4.2 曲面翼前翼新设计

4.2 可调式尾翼系统(DRS)设计

5 计算结果及分析

5.1 赛车周围流场分析与对比

5.2 FSAE赛车基本参数确定

6 结论及展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文

B. 作者在重庆大学方程式赛车的所获奖项